JP4509278B2

JP4509278B2 - ガスタービンの蒸気冷却回路に用いる圧力回復用回転ディフューザ

Info

Publication number: JP4509278B2
Application number: JP2000019613A
Authority: JP
Inventors: サシェベーレル・クエンティン・エルドリド; サミアー・アーマンド・サラマー; トーマス・ダニエル・デステファノ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: US6334295B1; EP1024250B1; DE60023760T2; JP2000352322A; KR20000071290A; EP1024250A2; DE60023760D1; EP1024250A3

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、一般にガスタービンの蒸気冷却回路に関し、特に冷却システムの効率を改良するために、ガスタービンの蒸気冷却回路における使用済み冷却蒸気もどり通路での圧力を回復する技術に関する。この発明はまた、複合サイクルシステムの性能を改良するために、複合サイクルシステムに用いられるガスタービンの使用済み冷却蒸気もどり通路での圧力を回復する技術に関する。
【０００２】
【発明の背景】
最新のガスタービン設計では、ロータで保持された回転部品の少なくともいくつか、たとえば第１段および第２段バケットを蒸気冷却している。タービンロータ蒸気冷却回路における圧力降下を最小限に抑えることが設計性能を確保する上で必須である。したがって、蒸気回路のすべての構成要素を圧力降下が最小となるように設計する。最新のガスタービン設計では、複数の同軸チューブで冷却蒸気送り通路およびもどり通路を画定したボアチューブ組立体を設けている。冷却蒸気送り通路は、もどり通路のまわりの環状通路からなり、冷却蒸気を複数の半径方向外向きに延在するチューブを通して供給し、ロータのリムに沿って軸線方向に第１段および第２段バケットまで通過させる。バケットからの使用済み冷却蒸気の戻しは、、ロータのリムに沿った、複数の円周方向に間隔をあけて配置された軸線方向延在通路により行われ、これらの通路は、複数の半径方向内向きに延在するもどりチューブを介して軸線方向もどり通路と連通している。したがって、冷却蒸気は上流の静止送りマニホールドからボアチューブ組立体に入り、下流の静止パイプを経て使用済み冷却蒸気もどり通路をでて、ロータを後にする。静止パイプの直径はボアチューブ組立体内のもどり通路よりいちじるしく大きい。しかし、ボアチューブもどり通路の直径から大きいパイプの直径への急激な膨張はいちじるしい圧力損失を生成し、不利である。
【０００３】
また、最新のガスタービン設計は、複合サイクルシステム専用になっているわけではないが、複合サイクルシステムに使用するのがよい。複合サイクルシステムでは、ガスタービンからの排出ガスを使用して熱回収蒸気発生器で蒸気を加熱し、その蒸気を、代表的には、高圧、中圧および低圧タービンを含む蒸気タービンに供給する。ガスタービンと蒸気タービンを共通シャフトであるいは異なるシャフトで連結して、１つ以上の発電機を駆動し、発電を行う。ガスタービンの回転部品用の冷却蒸気を高圧蒸気タービンの排気から供給することができる。ガスタービンからの使用済み冷却蒸気を熱回収蒸気発生器からの高温の再加熱蒸気と一緒にし、中圧蒸気タービンを駆動するのに用いる。したがって、ガスタービン用の蒸気冷却回路における圧力降下を低減することが求められている。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の好適な実施態様によれば、ディフューザを使用済み冷却蒸気もどり通路に設けて、使用済み冷却蒸気を徐々に膨張させることにより、ボアチューブ組立体における圧力降下を減らし、したがって軸線方向速度ヘッドの少なくとも一部を回復する。漸次の膨張は、ディフューザを使用済み冷却蒸気もどり通路を画定する回転チューブの一部として設けることにより、達成する。回転するディフューザを静止パイプのすぐ上流に配置する。静止パイプは使用済み冷却蒸気を受け取り、その流れを複合サイクルシステム内の中圧蒸気タービンに差し向ける。すなわち、回転ディフューザは断面積が下流方向に増加し、これにより圧力降下を低減する。面積比が存在しなくてはならないボアチューブ組立体の軸線方向長さが限定されているので、面積比を使用可能な軸線方向長さで全体に使用すると、流れ分離や望ましくない流れ不安定性が生じる。したがって、ディフューザを途中で切り落として、ディフューザが出口蒸気を、もどってきた使用済み冷却蒸気を受け取る静止パイプの断面積に一致する断面積まで膨張させないようにするのが好ましい。こうすれば、ディフューザは、蒸気を静止パイプの直径よりわずかに小さい面積まで徐々に膨張させ、その後の急激な膨張で、蒸気をパイプ直径までさらに膨張する。冷却蒸気もどり通路における圧力降下を低減することにより、高圧蒸気タービンはより一層高い圧力比で作動可能となる。すなわち、高圧蒸気タービンにおける蒸気のより大きな膨張が達成され、サイクル効率が向上する。
【０００５】
この発明の好適な実施態様においては、回転する蒸気冷却部品を含むガスタービン、蒸気タービンおよび前記ガスタービンからの高熱排出ガスと熱伝達関係にあって蒸気タービンに流す蒸気を加熱する熱回収蒸気発生器を有する複合サイクルシステムにおいて、前記システムは、さらに、ガスタービンの回転部品を冷却するために前記蒸気タービンから排出された蒸気をガスタービンに流す蒸気送り配管と、使用済み冷却蒸気を前記ガスタービンから前記蒸気タービンに流すもどり配管とを備え、前記もどり配管にディフューザを配置して圧力降下を低減し、複合サイクルの効率を向上させることを特徴とする複合サイクルシステムが提供される。
【０００６】
この発明の別の好適な実施態様においては、軸線のまわりに回転可能で蒸気冷却部品を保持するロータを有するガスタービンにおいて、前記ロータの一部を形成するボアチューブ組立体が前記軸線のまわりに同心配置された冷却蒸気送り通路および使用済み冷却蒸気もどり通路を備え、前記送り通路が前記もどり通路のまわりに環状通路を形成しかつ前記もどり通路を画定する回転可能なボアチューブによりもどり通路から分離され、前記ボアチューブに上流断面積が下流断面積より小さいディフューザを設けてもどってきた使用済み冷却蒸気を膨張させることによりもどりチューブ内での軸線方向速度ヘッドを回復する、ことを特徴とするシステムが提供される。
【０００７】
この発明の他の好適な実施態様においては、回転する蒸気冷却部品を含むガスタービン、高圧および中圧蒸気タービンおよび前記ガスタービンからの高熱排出ガスと熱伝達関係にあつて高圧および中圧蒸気タービンに流す蒸気を加熱する熱回収蒸気発生器を有し、前記ガスタービンがボアチューブ組立体を有し軸線のまわりに回転可能なロータを含み、前記ボアチューブ組立体が前記軸線のまわりに同心配置された冷却蒸気送り通路および使用済み冷却蒸気もどり通路を備え、前記送り通路が前記もどり通路のまわりに環状通路を形成しかつ前記もどり通路を画定して前記軸線のまわりに前記ロータとともに回転可能なボアチューブによりもどり通路から分離されている、複合サイクルシステムにおいて、上流断面積が下流断面積より小さいディフューザを前記もどり通路に設け、前記もどり通路に沿ってもどってくる使用済み冷却蒸気を膨張させることを含む、複合サイクルの効率を向上する方法が提供される。
【０００８】
【発明の詳細な記述】
図面を参照すると、１０で総称されるタービンロータを含むタービンの一部が示されている。タービンロータ１０は、段重ね要素、たとえばロータホイール１２，１４，１６および１８から構成され、これらホイールがホイールと交互するスペーサ２０，２２および２４とともに４段例示のタービンロータの各部分を形成する。ホイールおよびスペーサ要素は、複数の円周方向に延在する細長いボルト（その１つだけを２６で示す）により一緒にロータに保持されている。ホイール１２，１４，１６および１８にはそれぞれ、複数の円周方向に間隔をあけたタービンバケット１２ａ，１４ａ，１６ａおよび１８ａを装着する。ノズル３０，３２，３４および３６がこれらのバケット１２ａ，１４ａ，１６ａおよび１８ａと段をそれぞれ形成する。後部シャフトホイール４２は、ロータ１０の一部をなし、段重ねされたホイールおよびスペーサにボルト止めされている。
【０００９】
本出願人の最新ガスタービン設計では、係属中の米国特許出願に詳細に説明、図示されているボアチューブ組立体（ｂｏｒｅｔｕｂｅａｓｓｅｍｂｌｙ）が、後部シャフト４４内に収容される。
【００１０】
具体的には、ボアチューブ組立体は、外側チューブ４８および内側チューブ５０を含み、これらのチューブが環状蒸気冷却通路５２および使用済み蒸気冷却もどり通路５４を画定する。通路５２および５４は、数組の半径方向に延在する配管またはチューブ５６および５８を介して蒸気をロータの外側リムに送り、またそこから受け取る。半径方向チューブ５６および５８は、ロータのリムのまわりに円周方向に間隔をあけて配置された長さ方向延在チューブと連通している。蒸気送り通路５２および半径方向チューブ５６を通して供給された蒸気は、第１および第２段のバケット１２ａおよび１４ａに冷却蒸気を供給する。一方、半径方向チューブ５８およびもどり通路５４はバケットから使用済み冷却蒸気を受け取り、それを静止または固定パイプ４０（図２）に戻す。なお、ボアチューブ４８および５０はロータ１０の一部であり、ロータ１０とともに回転する。
【００１１】
さらに詳しくは、冷却蒸気をプレナム６０から環状入口開口６２を経て環状通路５２に送る。プレナム６０の両側に種々のラビリンスシール６４を設ける。なお、内側チューブ５０の直径は、チューブ５８からもどってくる使用済み冷却蒸気を受け取る軸線方向位置から、プレナム６０の位置に隣接した軸線方向位置までほぼ一定である。この発明の好適な実施態様では、チューブ５０がプレナム６０に隣接した軸線方向位置からさらに後方に延在し、ディフューザ７０を含む。ディフューザ７０は、回転ロータの後端とほぼ一致する後端で終端し、静止パイプ４０（図２）と連通している。ディフューザ７０は当然、チューブ５０の断面積に対応するその上流端での断面積からその下流後方端での拡大断面積まで拡開する。したがって、ディフューザ７０を用いると、チューブ５０に沿った圧力降下が減少し、ディフューザ７０の後端までの漸次の膨張を通してボアチューブにおける軸線方向速度ヘッドの一部が回復されることが明らかである。
【００１２】
図２に示すように、ディフューザ７０の後端は、静止パイプ４０の断面積と比べて、断面積が小さい。望ましくない流れ不安定性または流れ分離を生じる可能性があるので、ディフューザ７０を静止パイプ４０に対して手前で端を切り落とし、ディフューザ７０を含むボアチューブの出口が徐々に静止パイプ直径まで拡大しないようにする。こうすれば、もどってきた冷却蒸気は、ディフューザ７０を通して、静止パイプ４０の断面積よりわずかに小さい断面積まで徐々に膨張し、ディフューザ７０の後端と静止パイプ４０との間の段差に沿って急激な膨張が起こり、蒸気がパイプ直径までさらに膨張する。冷却蒸気もどり通路にディフューザを設ける結果として、圧力降下を低減することによる冷却システムの効率の向上が達成される。
【００１３】
つぎに図３に移ると、図１および図２に示したガスタービンを図３に示す複合（コンバインド）サイクルシステムに使用することができる。図３のシステムにおいて、ガスタービン１０は圧縮機８０および燃焼器８２を含み、これにより高熱の燃焼ガスをタービン１０に供給する。図示の複合サイクルシステムは、高圧蒸気タービン８４、中圧蒸気タービン８６および低圧蒸気タービン８８を含む。図示例では、ガスタービンおよび蒸気タービンが単一シャフト上に連なって発電機Ｇを駆動するが、蒸気タービンおよびガスタービンが別々のシャフト上に位置して別々の発電機を駆動する構成としてもよい。
【００１４】
熱回収蒸気発生器９０（ＨＲＳＧ＝ｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｏｒ）も図示されている。従来の複合サイクルシステムと同様に、ガスタービン１０からの高熱の排気ガスは配管９２を通してＨＲＳＧ９０に流れ、これによりＨＲＳＧで蒸気を発生し、再加熱し、それを蒸気タービンに、またガスタービンの冷却回路に供給する。具体的には、過熱蒸気をＨＲＳＧ９０から配管９４を通して高圧蒸気タービン８４に送る。高温の再加熱蒸気および低圧蒸気をそれぞれ、配管９６および９８を通して、中圧蒸気タービン８６および低圧蒸気タービン８８に送る。高圧蒸気タービンの排気から冷却蒸気を配管１００および１０２を経てガスタービン１０の蒸気供給プレナム６０に送り、こうして冷却蒸気をガスタービンの回転部品に送る。冷却蒸気を他の部品にも送る、すなわち配管１０２と連通した配管１０４を経てガスタービンの静止部品に送る。ガスタービンからもどす使用済み冷却蒸気を、チューブ５０を通して静止パイプ４０に、ついで配管１０８を通して高温再加熱蒸気配管９６に送り、そこで高温の再加熱蒸気と合わせ、中圧蒸気タービン８６に向けてそのタービンを駆動する。
【００１５】
ガスタービンにおいてディフューザ７０により圧力降下が低減されるので、高圧蒸気タービンに一層高い圧力比を確立できることが明らかである。この圧力降下の低減はまた、バケットへの冷却蒸気の流れを増加する能力、または高圧蒸気タービンに一層高い圧力比を与える能力またはその両方を与える。
【００１６】
以上、この発明を現在のところもっとも実用的かつ好適な実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されず、特許請求の範囲に含まれる種々の変更や均等な配置を包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンの一部の断面図で、タービン区分および冷却蒸気用の送り通路およびもどり通路を画定するボアチューブ組立体を示す。
【図２】図１に示したボアチューブ組立体の拡大図である。
【図３】本発明を用いる複合サイクルシステムのブロック線図である。

Claims

回転する蒸気冷却部品（１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａ）を含むガスタービン（１０）、蒸気タービン（８４，８６，８８）および前記ガスタービンからの高熱排出ガスと熱伝達関係にあって蒸気タービンに流す蒸気を加熱する熱回収蒸気発生器（９０）を有する複合サイクルシステムにおいて、前記システムは、さらに、ガスタービンの回転部品を冷却するために前記蒸気タービンから排出された蒸気をガスタービンに流す蒸気送り配管（５２）と、使用済み冷却蒸気を前記ガスタービンから前記蒸気タービンに流すもどり配管（５４）とを備え、前記もどり配管（５４）にディフューザ（７０）を配置して圧力降下を低減し、複合サイクルの効率を向上させることを特徴とする複合サイクルシステム。
前記ガスタービン（１０）は軸線のまわりに回転可能で前記蒸気冷却部品を保持するロータを含み、前記もどり配管（５４）は前記ロータの回転軸線と同軸な通路を含む、請求項１に記載のシステム。
前記送り配管（５２）およびもどり配管（５４）が互いに同軸である、請求項２に記載のシステム。
前記ガスタービン（１０）は軸線のまわりに回転可能で前記蒸気冷却部品（１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａ）を保持するロータを含み、前記もどり配管（５４）は前記ロータの回転軸線と同軸な通路を含み、前記もどり配管（５４）は前記ロータの一部を形成しロータとともに回転する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
前記もどり配管（５４）は、前記通路と連通した使用済み冷却蒸気を受け取る管路を画定する静止パイプ（４０）を含む、請求項４に記載のシステム。
前記ディフューザ（７０）の出口面積が前記静止パイプ（４０）の入口面積より小さくて使用済み冷却蒸気が前記静止パイプの直径までさらに膨張される、請求項５に記載のシステム。
前記蒸気タービンは高圧蒸気タービン（８４）および中圧蒸気タービン（８６）を含み、前記熱回収蒸気発生器（９０）は蒸気を加熱してそれを前記高圧蒸気タービン（８４）および中圧蒸気タービン（８６）に流し、前記蒸気送り配管（５２）は前記高圧蒸気タービン（８４）と前記ガスタービン（１０）との間に連結されて前記高圧蒸気タービン（８４）から排出された蒸気を前記ガスタービン（１０）に流し、前記もどり配管（５４）は前記中圧蒸気タービン（８６）と前記ガスタービン（１０）との間に連結されている、請求項１に記載のシステム。
前記ガスタービン（１０）は軸線のまわりに回転可能で前記蒸気冷却部品を保持するロータを含み、前記もどり配管（５４）は前記ロータの回転軸線と同軸な通路を含む、請求項７に記載のシステム。
前記送り配管（５２）およびもどり配管（５４）が互いに同軸である、請求項８に記載のシステム。
前記ガスタービン（１０）は軸線のまわりに回転可能で前記蒸気冷却部品を保持するロータを含み、前記もどり配管（５４）は前記ロータの回転軸線と同軸な通路を含み、前記もどり配管（５４）は前記ロータの一部を形成しロータとともに回転する、請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載のシステム。
前記もどり配管（５４）は、前記通路と連通した使用済み冷却蒸気を受け取る管路を画定する静止パイプ（４０）を含む、請求項１０に記載のシステム。
前記ディフューザ（７０）の出口面積が前記静止パイプ（４０）の入口面積より小さくて使用済み冷却蒸気が前記静止パイプの直径までさらに膨張される、請求項１１に記載のシステム。
前記ガスタービン（１０）が、前記ロータの一部を形成するボアチューブ組立体（４８，５０）を備えていて、該ボアチューブ組立体が前記軸線のまわりに同心配置された冷却蒸気送り配管（５２）および使用済み冷却蒸気もどり配管（５４）を備え、前記送り配管（５２）が前記もどり配管（５４）のまわりに環状通路を形成しかつ前記もどり配管（５４）を画定する回転可能なボアチューブ（５０）によりもどり配管（５４）から分離され、前記ボアチューブ（５０）に上流断面積が下流断面積より小さいディフューザ（７０）を設けてもどってきた使用済み冷却蒸気を膨張させることによりもどり配管内での軸線方向速度ヘッドを回復する、請求項１に記載のシステム。
さらに、前記ディフューザの下流で前記もどり配管（５４）と連通して前記回転ボアチューブ（５０）から使用済み冷却蒸気を受け取る静止パイプを含む、請求項１３に記載のシステム。
前記ディフューザの出口面積が前記静止パイプの入口面積より小さくて使用済み冷却蒸気が前記静止パイプの直径までさらに膨張される、請求項１４に記載のシステム。
回転する蒸気冷却部品（１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａ）を含むガスタービン（１０）、高圧および中圧蒸気タービン（８４，８６）および前記ガスタービン（１０）からの高熱排出ガスと熱伝達関係にあって高圧および中圧蒸気タービン（８４，８６）に流す蒸気を加熱する熱回収蒸気発生器（９０）を有し、前記ガスタービン（１０）がボアチューブ組立体を有し軸線のまわりに回転可能なロータを含み、前記ボアチューブ組立体が前記軸線のまわりに同心配置された冷却蒸気送り配管（５２）および使用済み冷却蒸気もどり配管（５４）を備え、前記送り配管（５２）が前記もどり配管（５４）のまわりに環状通路を形成しかつ前記もどり配管（５４）を画定して前記軸線のまわりに前記ロータとともに回転可能なボアチューブ（５０）によりもどり配管（５４）から分離されている、複合サイクルシステムにおいて、
上流断面積が下流断面積より小さいディフューザを前記もどり配管（５４）に設け、前記もどり配管（５４）に沿ってもどってくる使用済み冷却蒸気を膨張させることを含む、複合サイクルの効率を向上する方法。
静止パイプを前記もどり配管（５４）と連通関係に配置して前記もどり配管（５４）から使用済み冷却蒸気を受け取り、ディフューザの出口面積と静止パイプの入口面積とが共通な位置にあり、もどってきた使用済み冷却蒸気を前記ディフューザの出口面積からこの出口面積より大きい前記静止パイプの入口面積まで膨張させることを含む、請求項１６に記載の方法。